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1、LOGO脉冲激光沉积制备脉冲激光沉积制备MIM结构结构 信息工程学院电子信息工程05903325沈晓磊指导老师 季振国LOGOv氧化锌（ZnO）是一种重要的宽带隙（室温下3.3 eV）-族化合物半导体材料,它的激子束缚能高达60 meV,远大于GaN的25 meV和ZnSe的22 meV。ZnO具有六方纤锌矿结构，晶格常数a=0.3249 nm,c=0.5206 nm。ZnO薄膜具有良好的透明导电性、压电性、光电性、气敏性、压敏性、且易于与多种半导体材料实现集成化。这些优异的性质，使其具有了广泛的用途，如表面声波器件、平面光波导，透明电极，紫外光探测器、压电器件、压敏器件、紫外发光器件、气敏传
2、感器等。在短波区域，ZnO可用于制造紫外发光器件和紫外激光器，对于提高光记录密度及光信息的存取速度起着非常重要的作用。LOGOv压敏电阻器是其电阻值随电压灵敏变化的电子元件，它是基于压敏材料的非线性伏安特性工作的，己被广泛地应用于过压保护和稳压方面。SiC作为压敏材料的历史比较悠久，1908年即出现了SiC避雷器的研究。自从1968年日本松下公司首次研制成功了以ZnO作为主体的压敏电阻器以来，ZnO压敏电阻器的研究和应用得到了长足的发展，ZnO迅速成为制造压敏电阻器的主导材料。LOGOContents压敏电阻的基本概念压敏电阻的基本概念 1激光脉冲沉积法的基本原理激光脉冲沉积法的基本原理 及及
3、ZnO薄膜的制备薄膜的制备 2试验结果以及数据分析试验结果以及数据分析 3总结总结 4LOGO1、压敏电阻的基本概念、压敏电阻的基本概念v压敏电阻是一种限压型保护器件。利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻的两极间，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有：压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。LOGOLOGO图1-1为ZnO晶体的原子点阵示意图，ZnO晶体具有纤锌矿结构（四配位，六角结构）、闪锌矿结构（也是四配位，但和纤锌矿相原子排列不同）、NaCl结构（也叫岩盐结构）和CsCl结构，这四种结构。2.1 ZnO薄膜的晶体结构2、
4、激光脉冲沉积法的基本原理、激光脉冲沉积法的基本原理 及及ZnO压敏电阻器的制备压敏电阻器的制备LOGO 非化学计量的非化学计量的ZnO晶体能带图晶体能带图 vSukker等人经过综合各方面的数据和理论分析，给出了与ZnO晶体的能带结构有关的常温电子学参数。根据这些数据，可以得到，纯净的ZnO由于存在固有原子点缺陷，使得晶体结构的周期性被破坏，在禁带中引入局域能级的能带结构，如图所示LOGOZnO压敏电阻的晶界能带压敏电阻的晶界能带v双肖特基势垒 LOGO求解泊松方程后，得到双肖特基势垒高度:式中，是ZnO半导瓷的介电常数，是势垒的高度，Nd为晶粒施主浓度，Ns为界面受主态密度，e为单位电子电荷
5、。由上式可知，双肖特基势垒高度与表面受主态密度的平方成正比，与晶粒施主浓度成反比，在晶界处吸附受主杂质能提高n型半导瓷晶界得势垒高度。正是由于双肖特基势垒的形成，才使得ZnO压敏电阻器具有非线性的特性。LOGOZnO压敏材料的导电原理压敏材料的导电原理v隧穿电流表达式为:式中，K为常数，C为常数，U为外加电压，为真空介电常数。上式 表明，当电压较高，由于隧穿机制，流过晶界的电流随外加电压的增大而急剧增大。结合热电子发射机制和隧穿势垒机制就可以较好地解释ZnO压敏电阻器的非线性U-I特性。当外加电压升高达到一定值时，通过压敏电阻器的电流随外加电压的增加变化很大，一般可达几个数量级，表现出强烈的非
6、线性。正是由于具有非线性特性，ZnO压敏电阻器在过压保护和稳压方面得到广泛的应用。在过压保护电路中，当有浪涌电流通过时，压敏电阻器处于非线性区，将浪涌电流吸收，起到保护设备的作用。LOGOZnO压敏材料常用的性能参数压敏材料常用的性能参数v非线性系数、压敏电压、漏电流表示了压敏电阻器的小电流特性，通流能力、残压比则表示的是大电流特性。此外，表征压敏电阻器性能的参数还有电压温度系数、能量耐量，固有电容等，限于篇幅，在此只对常用的参数作以简单介绍。1.非线性系数 2.压敏电压 3.漏电流 4.通流能力 5.残压比LOGOZnO压敏材料在各方面的压敏材料在各方面的应用及发展应用及发展vZnO压敏材料
7、广泛应用于工业、铁路、通信、电力及家电等方面,尤其在过电压保护方面.用 ZnO压敏材料制成的 ZnO避雷器,可以用于雷电引起的过电压和电路工作状态突变造成电压过高.过电压保护主要用于大型电源设备、大型电机、电磁铁等强电应用中，也可用于一般电器设备的过电压保护。vZnO压敏材料的未来是十分美好的：(1)片式叠层化：近年来，随着电子产品的小型化、多功能化和表面帖装技术(S MT)的应用。(2)低压化：由于电子仪器的集成化，电路的电压也随之低电压化。(3)基础理论的研究有待深入，尤其是加强晶界现象、导电机理、缺陷理论等方面的研究。将计算机技术与材料研究相结合，以探讨 ZnO压敏材料的显微结构与导电机
8、理等将可能受到人们关注。LOGO3、激光脉冲沉积法的基本原理、激光脉冲沉积法的基本原理及及ZnO薄膜的制备薄膜的制备v目前国内外薄膜制备方法基本有：磁控溅射，喷雾热解，化学气相沉积，分子束外延技术，原子层外延生长法，脉冲激光沉积，溶胶-凝胶这几种方法，各种制备工艺各有优缺点。不同的制备技术及工艺参数决定了薄膜的结晶取向，薄膜厚度，表面平整度以及光电、压电等性质的差异。LOGO国内外国内外薄膜制备方法薄膜制备方法国内外国内外薄膜制备方法薄膜制备方法 磁控溅射法磁控溅射法 喷雾热分解法喷雾热分解法 分子束外延法分子束外延法 原子层外延生长法原子层外延生长法 脉冲激光沉积法脉冲激光沉积法（PLD）化
9、学沉积法化学沉积法 LOGOPLD脉冲激光沉积示意图LOGO1、存底的清洗、存底的清洗2、溶胶的配置、溶胶的配置3、提拉、提拉5、高温热处理、高温热处理4、预处理、预处理在衬底上沉积在衬底上沉积ZnO薄膜的实验过程薄膜的实验过程LOGO4、试验结果以及数据分析、试验结果以及数据分析 PLD压敏特性图及（ZnO）LOGOv右图所示为不同温度下生长在Si衬底上的ZnO薄膜的X射线衍射图谱（XRD）由下图可知生长温度的不同对ZnO薄膜样品的影响都是很显著的。薄膜生长时氧气压强为1OPa，生长温度分别500，550，600，沉积时间均为2小时。为改善样品结晶质量，对样品进行了退火处理，退火温度均为65
10、0，并保温l小时。图示中所有样品的X射线衍射谱中衍射峰强度最大的均为ZnO的(101)衍射峰，出现在2为处，还在2为33。4处存在非常弱的衍射峰。表明我们生长的样品为(101)择优的多晶薄膜。LOGOv在衬底温度为500时，(101)衍射峰强度很弱，而且不太对称。因为衬底温度低，所以在到达衬底的原子和离子中，很少有能得到足够的能量进行再蒸发或者沿表面方向迁移。但原子沿c轴方向生长的优势已经相当明显。ZnO(101)衍射峰的强度在500一600之间随生长温度的升高而显著增强，其它晶面的生长被抑制。(101)晶面的择优生长，表明晶体质量越来越好。因为高的生长温度有利于使吸附在衬底表面的残余气体脱附
11、，因而可提高膜层的附着力，使膜层结构致密，结晶也就自然越来越好。LOGO衬底温度对衬底温度对ZnO薄膜薄膜表面结构的影响表面结构的影响 v分析分析 通过原子力显微镜(AMF)观测样品的形貌，AFM是在ParkAutoprobeCP型原子力显微镜上进行的，测试使用模式为S诩针的接触模式。LOGOLOGOv。图3-3分别为在不同衬底温度下沉积ZnO薄膜的AFM平面视图。衬底温度分别为500.550.600。退火温度为650，退火时间为1小时。由图3-3可知，在衬底温度为的500时，ZnO晶粒尺寸小而均匀，晶界较为模糊:衬底温度为550时的ZnO薄膜生长致密，已有一些晶粒开始长大。衬底温度为600时
12、，ZnO薄膜表面呈鹅卵石密堆积结构，晶粒完全聚集长大，尺寸明显增加，约为50nm，呈现了很好的C轴取向性，界面清晰可辨。我们可以看到晶粒的变化过程和表面形貌，与XRD显示的结果基本一致。LOGOv分析分析LOGOv使用SEM分别对550，600衬底温度下制备的样品的表面形貌进行了测试，如上图所示。结果显示，衬底温度为600时晶粒比衬底温度为550的时的晶粒略大，且有较好的致密性。这主要是因为以下原因:随着沉积温度升高，有利于使吸附的原子在基片上发生迁移和重排，即越易引起薄膜内部凝聚，形成岛状小岛;同时，在一定的沉积工艺条件下，基片温度高，沉积原子在基片表面上的活动能力增大，结晶程度也高，晶粒变
13、大。因此，随着基片温度升高，沉积速率和晶粒尺寸增大。但当基片温度达到一定值后，基片表面原子和吸附原子的热运动加剧，因而增大了它们的距离，使吸附能有所减少，适应系数变小，故薄膜的沉积速率随温度升高而略有下降。而基片表面原子的活动能力随基片温度的升高继续增大，有利于减少晶界面积，晶粒长大。说明在较高的温度下，薄膜表面的扩散和迁移速率得到了提高，有利于降低薄膜表面的粗糙度，生成平整、致密的薄膜表面。这一现象与XRD的结果相一致。说明薄膜表面形貌的改善归根结底与较高的衬底温度有关。LOGO5、总结、总结v本文采用脉冲激光沉积的方法，制备了ZnO薄膜，该薄膜具有较好的平整性、致密性以及好的发光特性。通过采用XRD、SEM、AFM、荧光光谱仪等测量仪器对样品的结构、形貌等特性进行了测试。研究了ZnO薄膜的结晶状况、成分、等因素之间的关系。理论和实践中都证明了利用PLD薄膜技术可以制备发光性能较好的ZnO薄膜，但是由于PLD薄膜技术制膜过程非常复杂，各方面的因素都会影响薄膜压敏特性，找出影响膜表面质量的各种原因就需要通过大量实验确定沉积参数，选择优化的工艺参数，才一能制备出良好的薄膜。本实验仅从衬底温度、退火处理、性能等方面对其进行了分析。这只是一些初步工作，还有许多方面尚需进一步探索。LOGO